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CellMat, Condensed Matter Physics Department,

University of Valladolid, Spain

Cellular Materials Laboratory CellMat

Productos bioderivados y biodegradables de bajo coste basados en almidón. Aplicación en bandejas para alimentación.

A.López-Gil, M.A. Rodriguez-Perez, J.A. De Saja.

V Jornadas de Tecnología e Innovación AlimentariaCalahorra, 25 de Abril de 2012

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ÍNDICE

1-Introducción.

2-Objetivos.

3-Fabricación y caracterización de materiales de bajo coste biodegradables y bioderivados de almidón.

4-Conclusiones.

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INTRODUCCIÓN

ENVASE

MATERIALES ENVASE

PAPEL/CARTÓN VIDRIO PLÁSTICOMETAL

• Protección física.• Conservar propiedades organolépticas.• Hacer atractivo el producto.• Información del producto.

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INTRODUCCIÓN

Los envases acaparan el 39% de la producción europea de plásticos.

(1) PLASTICS EUROPE

(1) (1)

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INTRODUCCIÓN

Ligero aumento europeo de las tasas de reciclado

Excesiva diferencia entre la producción de desechos plásticos y reciclado.

Reciclado en Europa (2)

Producción, residuos y reciclado de plásticos en Europa en 2010 (2)

(2) PLASTICS EUROPE

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EXCESIVA ACUMULACIÓN RESIDUOS PLÁSTICOS DE ORIGEN FÓSIL

Acumulación en vertederos(Landfill)

Desecho en zonas urbanas y ecosistemasterrestres y marinos

(Street and marine litter)

INTRODUCCIÓN

Disminución de los tiemposde vida útil de vertederos

Muerte de numerosas especies marinas ycostosas políticas de recogida de residuos

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INTRODUCCIÓN

SOLUCIONES

RECICLADO INCINERADO COMPOSTAJE

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Elevada diversidad de materiales en la composición de un único envase

• Diferentes tipos de polímeros y grados(HDPE, LDPE, PP, PS etc.).

• Aditivos: Cargas, colorantes, ayudantes de proceso, plastificantes etc.

• Materiales multicapa y recubrimientos.

INTRODUCCIÓN

SOLUCIONES


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INTRODUCCIÓN

SOLUCIONES


Material Poder calorífico (MJ/kg) (4)

Almidón 14,5-16,5Papel 16,7Madera 18Carbón 26-33PMMA 29PC 31,1PS 39,2PE 44,8

(3) PLASTICS EUROPE(4) Eastop and Croft (1996)

Reciclado y recuperación energética (3)

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RECICLADO

SOLUCIONES

INCINERADO COMPOSTAJE

La mayoría de plásticos utilizados para envasado son de origen fósil.

INTRODUCCIÓN

400 años

Mecanismos de degradación en polímeros:

1- Luz solar. Foto-oxidación2- Degradación química. Oxidación química.3- Bacterias. Degradación por microorganismos

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RECICLADO

SOLUCIONES


BIOPOLÍMEROS

INTRODUCCIÓN

CellMatCellMat

RECICLADO

SOLUCIONES


BIOPOLÍMEROS

INTRODUCCIÓN

Problemas biopolímeros:

•Pobres propiedades.•Alto coste.•Escaso desarrollo tecnológico.

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ALMIDÓN

AMILOSA

AMILOPECTINA

INTRODUCCIÓN

+

Cereales y tubérculos Almidón Nativo

Ventajas

•Abundante producción mundial.•Anualmente renovable.•Biodegradabilidad y compostabilidad.•Bajo precio (0,5-1€/kg).

DESVENTAJAS

•Elevada densidad•Pobres propiedades mecánicas (Frágil)•Fuerte caracter hidrofílico.

Almidón Termoplástico

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INVESTIGACIÓN CELLMAT

Mejorar propiedadesmecánicas

Refuerzo confibras naturales

Disminución de peso

Espumado pormicroondas

OBJETIVOS

Plastificación

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Matriz polimérica Almidón de Patata. Tate&Lyle

Plastificante Glicerol. Aralar Normapur

Fibras naturales Fibras de paja de cebada. Universitat Politecnica de Catalunya

Fibras de orujo de uva. Grupo Matarromera.

Fibra de paja de cebada

Fibra de orujo de uva

Almidón de Patata

Fabricación y caracterización

Materias primas

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RUTA DE FABRICACIÓN

MEZCLADO Y

PLASTIFICACIÓN

TERMOFORMADO

CARACTERIZACIÓN

MEZCLA FIBRAS


CellMatCellMat


Almidón de Patata Glicerol

+

30%

MEZCLADO Y

PLASTIFICACIÓN

TERMOFORMADO

CARACTERIZACIÓN

MEZCLA FIBRAS


CellMatCellMat



+

30%

Perfil de Temperaturas (ºC) 80-110-130-150-110ºC

Alimentación Manual

Enfriamiento Aire

MEZCLADO Y

PLASTIFICACIÓN

TERMOFORMADO

CARACTERIZACIÓN

MEZCLA FIBRAS


CellMatCellMat


MEZCLADO Y

PLASTIFICACIÓN

TERMOFORMADO

CARACTERIZACIÓN

MEZCLA FIBRAS


+

30%

+Fibras naturales


CellMatCellMat


MEZCLADO Y

PLASTIFICACIÓN

TERMOFORMADO

CARACTERIZACIÓN

MEZCLA FIBRAS


+

30%

+Fibras naturales

Prensa de platoscalientes

Moldes circulares

Temperatura 150 ºC

Fuerza 20 Tm


CellMatCellMat


MEZCLADO Y

PLASTIFICACIÓN

TERMOFORMADO

CARACTERIZACIÓN

MEZCLA FIBRAS

Composites de TPS con fibras naturales

Formulaciones TPS(30%Glicerol)a

Cebada Uva

P 100 - -

PT1 98 2 -

PT2 95 5 -

PT3 90 10 -

PT4 85 15 -

PU1 98 - 2

PU2 95 - 5

PU3 90 - 10

PU4 85 - 15a porcentaje en peso (wt%)


CellMatCellMat

Ensayos de tracción.UNE-ISO 37:2005.

TPS-Grape waste TPS-Barley Straw

0 2 4 6 8 10 12 14 16

2

3

4

5

6

7

8

TPS-Cebada TPS-Uva

Contenido en fibra (%)

Res

iste

nca

a Tr

acci

ón (M

Pa)


CellMatCellMat

Fibra de orujo de uvaAltura 0,83 mm

Anchura 0,53 mm

Relación 1,57

Fibra de paja de cebadaAltura 0,25 mm

Anchura 0,01 mm

Relación 25Fibra de orujo de uva Fibra de paja de cebada

0, 53mm

0 2 4 6 8 10 12 14 16

2

3

4

5

6

7

8

TPS-Cebada TPS-Uva


Res

iste

nca

a Tr

acci

ón (M

Pa)

≈ 4


CellMatCellMat

Fibra de paja de cebada

Distribución homogenea

Buena adhesión

0 2 4 6 8 10 12 14 16

2

3

4

5

6

7

8

TPS-Cebada TPS-Uva


Res

iste

nca

a Tr

acci

ón (M

Pa)


≈ 4

CellMatCellMat




Plastificación

1. Aumento resistencia y rigidez.2. Mantener biodegradabilidad

1. Termoplástico flexible2. Procesabilidad


CellMatCellMat




Plastificación

1. Aumento resistencia y rigidez.2. Mantener biodegradabilidad

1. Termoplástico flexible2. Procesabilidad


4 mm

Peso: 186,2gVolumen: 133 cm3

Densidad: 1300-1400 kg/m3

4 mm

Peso: 4gVolumen: 133 cm3

Densidad: 30 kg/m3

CellMatCellMat




Disminución de peso

Espumado pormicroondas

Plastificación


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Molde PTFE

VENTAJAS

•Rápido y homogeneo calentamientovolumétrico.

•Agua como agente espumante

1Jiang Zhou, Jim Song, Roger Parker. Carbohydrate Polymers 69 (2007) 445-454

• Resistente a altas temperaturas (>200ºC).• Fácil desmoldeado.• Transparente a la radiación microondas.

Procesos tradicionales de espumado de almidón: Extrusión y “Baking”.


MEZCLADO Y

PLASTIFICACIÓN

ESPUMADO POR

MICROONDAS1

TERMOFORMADO

HORNO MICROONDAS

MOLDE PTFE

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Objetivo espumado por radiación Microondas

Reducir densidad

1. Disminución cuadrática propiedades mecánicas.2. Perdida del agente plastificante (agua).

N=2

N=1

(*)

Espumas de TPS muy quebradizas y con poca resistencia

Evaporación agua

Sólido plástico Espuma rígida

30% agua 6% agua

Youn

g´s

Mod

ulus (

MPa

)

Density (kg/m3)


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Objetivo espumado por radiación Microondas

Reducir densidad

Modificaciones en la matriz polimérica Modificaciones en la estructura celular

Modificación de las formulaciones y de los parámetros de proceso:1.Fibras naturales.2.Plastificantes con mayor estabilidad (Glicerol)

1. Disminución cuadrática propiedades mecánicas.2. Perdida del agente plastificante (agua).


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Matriz polimérica Almidón de trigo. (Meritena 200). Tereos Syral

Plastificante Agua y Glicerol (Aralar Normapur)

Fibras naturales Fibras de paja de cebada. (Universitat Politecnica de Catalunya)Fibras de orujo de uva. (Matarromera Group).

Espumas de TPS.Formulaciones Almidón de trigo Agua Glicerol Cebada Uva

TPS 70 30

TPS-Cebada 70 30 5 -

TPS-Uva 70 30 5

TPS- Glicerol 70 30 10a phr


CARACTERIZACIÓN

CellMatCellMat

TPS-Cebada

TPS- Uva

TPS-Glicerol

• Densidades en torno a 300kg/m3

• Modificaciones de la estructura celular


CellMatCellMatTPS TPS-Uva TPS-Cebada TPS-Glicerol

0

100

200

300

400

500

600

Mod

ulo d

e Co

mpr

esión

/ De

nsida

d2

(MPa

cm6 /g

2 )

Espumas

TPS TPS-Uva TPS-Cebada TPS-Glicerol0

5

10

15

20

25

30

35

Resis

tenc

ia a

com

pres

ión

70%

def

orm

ación

(MPa

)

Espumas

TPSUva

Solo en el caso de las espumas reforzadas con fibradeorujo de uva se consiguen espumas mas rigidas.

El Glicerol proporciona espumas mas flexibles perocon mayor densidad y menor resistencia.

Fabricación y caracterizaciónTPS

Glicerol

CellMatCellMat


5

10

15

20

25

30

35

Resis

tenc

ia a

com

pres

ión

70%

def

orm

ación

(MPa

)

Espumas


100

200

300

400

500

600

Mod

ulo d

e Co

mpr

esión

/ De

nsida

d2

(MPa

cm6 /g

2 )

Espumas

TPSUva

Solo en el caso de las espumas reforzadas con fibrade orujo de uva se consiguen espumas mas rigidas.

El Glicerol proporciona espumas mas flexibles perocon mayor densidad y menor resistencia.

Evaporación agua

Sólido plástico Espuma rígida

30% agua10% glicerol

6% agua10%

glicerol

30% agua 6% agua

Evaporación agua

Sólido plástico Espuma plástica

Fabricación y caracterizaciónTPS

Glicerol

CellMatCellMat

4 mm

Weight: 186,2gVolumen: 133 cm3


4 mm


Densidad: 30 kg/m3

BANDEJA XPS BANDEJA TPS SÓLIDA


BANDEJA XPSMaterias primas % Costes (€/kg)

XPS 93,6 1,5

Isobutano 6 1,2

Talco 0,4 1,68

Bandeja TPSMaterias primas Costes (€/kg)

Almidón 0.6

Evaluación económica

CellMatCellMat

4 mm



4 mm


Densidad: 30 kg/m3


4 mm

Weight: 40gVolumen: 133 cm3

Densidad: 300 kg/m3

BANDEJA TPS ESPUMADA



CellMatCellMat

4 mm



4 mm


Densidad: 30 kg/m3


BANDEJA TPS ESPUMADACON FIBRAS

1 mm

Weight: 10gVolume: 33 cm3

Density: 300 kg/m3


100

200

300

400

500

600

Mod

ulo d

e Co

mpr

esión

/ De

nsida

d2

(MPa

cm6 /g

2 )

Espumas

≈4



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Conclusiones

1. Obtención de materiales bioderivados y biodegradables basados en almidón termoplástico.

2. Reducción drástica de densidad gracias a una tecnología novedosa como es el espumado por radiación microondas.

3. Mejora de las propiedades finales gracias al empleo de fibras lignocelulósicas naturales y de distintos tipos de agentes plastificantes.

4. Productos con coste asumible en el mercado

CellMatCellMat

Cellular Materials Laboratory CellMat

Agradecimientos:

-MICINN y programa FEDER.-ACTIBIOPACK. Subprograma INNPACTO 2011.-Programa FPI. (MAT2009-14001-C02-01).

V Jornadas de Tecnología e Innovación AlimentariaCalahorra, 25 de Abril de 2012

Muchas gracias por la atención prestada!

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